电路与模拟电子技术课件：Appendix_1

1、附录附录1 1 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器 D/A转换电路的目的是将数字式信号（一列数码脉冲）转转换电路的目的是将数字式信号（一列数码脉冲）转换成幅度对应于数码值的模拟电信号，它是数字设备与模拟设换成幅度对应于数码值的模拟电信号，它是数字设备与模拟设备通信的必备部件。备通信的必备部件。D/A转换电路一般由转换电路一般由基准电压源基准电压源/电流源电流源;模拟开关模拟开关;电阻网络电阻网络;运算放大器等部分组成。运算放大器等部分组成。本节介绍几种常用

2、本节介绍几种常用D/A转换电路及集成转换电路及集成D/A转换电路。转换电路。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续1）u权电阻权电阻D/A转换电路转换电路集成运放反相输入端为集成运放反相输入端为“虚地虚地”，每个开关可以切换到两个，每个开关可以切换到两个不同的位置，切换到哪个位置由相应位数字量不同的位置，切换到哪个位置由相应位数字量Bi 控制。当数控制。当数字量为字量为“1”时，开关接基准电压时，开关接基准电压UR；当数字量为；当数字量为“0”时，开时，开关接地。关接地。 UR上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退

3、出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续2）选择权电阻网络中电阻的阻值使流过该电阻的电流与该选择权电阻网络中电阻的阻值使流过该电阻的电流与该电阻所在位的权值成正比。这样，从最高位到最低位，每一电阻所在位的权值成正比。这样，从最高位到最低位，每一位对应的电阻值应是相邻高位的位对应的电阻值应是相邻高位的2倍，使各支路电流从高位到倍，使各支路电流从高位到低位逐位递减低位逐位递减1/2。当输入二进制数码中某一位当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关时，开关Si接至基准电压接至基准电压ER，这时在相应的电阻，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流为支路上产生电流为RRR11222iinin

4、iUUUIRRR 当当Bi=0时，开关时，开关Si 接地，电流接地，电流Ii=0。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续3）第第i 路的电流为路的电流为 1fRf1022nioiniRUUR IBR 总的输出电流总的输出电流 输出电压输出电压 R122iiinUIBR111RR110002222nnniiiiinniiiUUIIBBRR正比于输入数码对应的十进制数值。正比于输入数码对应的十进制数值。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续4）uR-2R T形形

5、D/A转换电路转换电路R-2RT形形D/A转换原理电路如图。与权电阻转换原理电路如图。与权电阻D/A转换电路一样，转换电路一样，二进制码二进制码Bi 控制着开关控制着开关Si 的位置。的位置。Bi为为1，Si接接UR；Bi为为0，Si接地。接地。UR上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续5）集成运放反相输入端为集成运放反相输入端为“虚地虚地”。因此，从两端的。因此，从两端的T形结点形结点开始，向中间逐结点推算，很容易得到：当开始，向中间逐结点推算，很容易得到：当Bi=1,其余位均为其余位均为0时，从结点时，从结点i 向左向右看

6、的电阻都是向左向右看的电阻都是2R，这样，这样,从开关从开关Si经经2R支路流进结点的电流等分后分别向左向右流出支路流进结点的电流等分后分别向左向右流出,其等效电路如其等效电路如图图UR上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续6）由等效电路可求出，接电源支路所提供的电流均为由等效电路可求出，接电源支路所提供的电流均为Ii=U/3R。由于在每个结点向三个反向看的等效电阻相等（由于在每个结点向三个反向看的等效电阻相等（2R），因此，），因此，这个电流在流向集成运放反相输入端的途中，每经过一个结点，这个电流在流向集成运放反相输入端的途

7、中，每经过一个结点，电流都要减小一半。电流都要减小一半。二进制码最高位对运放输入端方向的电流为二进制码最高位对运放输入端方向的电流为RR012 36UUIRR其他各位产生的电流逐位减小一半，依次为其他各位产生的电流逐位减小一半，依次为00002(1)11111,2222ninIIII二进制码控制的各开关对集成运放输入端产生的总电流为二进制码控制的各开关对集成运放输入端产生的总电流为11R0(1)0011223 2nniininiiUIIBR输出电压输出电压1fRO023 2niiniRUUBR正比于输入数码对应的十进制数值。正比于输入数码对应的十进制数值。这种电路中电阻阻值只有这种电路中电阻阻

8、值只有R和和2R两种，精度易于保证，且流两种，精度易于保证，且流过各模拟开关的电流均相同，所以给设计和制作带来方便，过各模拟开关的电流均相同，所以给设计和制作带来方便，故集成故集成D/A电路中多采用这种电路形式。电路中多采用这种电路形式。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续7）u倒置倒置T形形D/A转换电路转换电路R-2R T形形D/A转换电路中，数字信号各位的传输时间不同，因转换电路中，数字信号各位的传输时间不同，因而输出端会产生尖峰效应。倒置而输出端会产生尖峰效应。倒置T形形D/A转换电路可以克服这转换电路可以克服这种

9、缺点。种缺点。URRUIR上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续8）集成运放反相输入端为集成运放反相输入端为“虚地虚地”，所以，不论开关切换，所以，不论开关切换到哪个位置，到哪个位置，2R上端都接了上端都接了0电位。这样，从电阻网络左端电位。这样，从电阻网络左端开始开始,用串并联方法可以得到从用串并联方法可以得到从UR看进去的对地的等效电阻为看进去的对地的等效电阻为R。这样，从参考电源。这样，从参考电源UR流进电阻网络的电流为流进电阻网络的电流为I=UR/R。类似类似R-2R T形形D/A转换电路的分析可知，每经过一个节转换电

10、路的分析可知，每经过一个节点，经过电阻向上流的电流减小一半，正好反映了二进制各点，经过电阻向上流的电流减小一半，正好反映了二进制各位码应满足的位权关系。因此，可直接写出位码应满足的位权关系。因此，可直接写出2222Of01(1)1120Rf1201()222221(2222 )2nnnnininnninninBBBBUI RU RBBBBR 该电路工作时该电路工作时, ,在前一组二进制码切换到后一组二进制码在前一组二进制码切换到后一组二进制码时时, ,各位码对应的电流同时到达集成运放输入端各位码对应的电流同时到达集成运放输入端, ,因而不因而不会产生尖峰效应。会产生尖峰效应。 上一页上一页下一

11、页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续9）uD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率分辨率 输出模拟电压可能被分离的数目。常用输入二进制数输出模拟电压可能被分离的数目。常用输入二进制数的位数的位数N表示其分辨率。表示其分辨率。精度精度 D/A转换器实际输出模拟电压与理想输出值之间存在转换器实际输出模拟电压与理想输出值之间存在的最大偏差。的最大偏差。建立时间建立时间 D/A转换器输入从全转换器输入从全0突变为全突变为全1（或从全（或从全1突变为全突变为全0）时，转换器输出达到与最终稳定值相差时，转换器输出达到与最终稳定值相差 1/

12、2LSB范围范围内所需要的时间，又称满量程建立时间。是描述内所需要的时间，又称满量程建立时间。是描述D/A转换器转换速度的重要性能指标。转换器转换速度的重要性能指标。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续10）uD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 (续续)非线性误差非线性误差 D/A转换器实际传输特性曲线和平均传输特性曲线之转换器实际传输特性曲线和平均传输特性曲线之间的最大偏差。也称非线性度或线性度。间的最大偏差。也称非线性度或线性度。传输延迟传输延迟 从数字输入变化到模拟输出，电流达到其最终值的从数字输入变化到

13、模拟输出，电流达到其最终值的90%所需的时间。所需的时间。静态功耗静态功耗 规定负载下，输入全规定负载下，输入全0和全和全1时所消耗的最大功率。时所消耗的最大功率。 电源电压抑制比电源电压抑制比单位电源电压变化所引起的模拟量输出的变化。单位电源电压变化所引起的模拟量输出的变化。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续11）uDAC0830系列集成系列集成D/A转换器转换器DAC0830系列包括系列包括DAC0830，DAC0831，DAC0832。我们以。我们以DAC0832为例说明其基本工作过程。为例说明其基本工作过程。DA

14、C0832芯片内含有一个芯片内含有一个8位位D/A转换电路，由倒转换电路，由倒T形电阻网形电阻网络和电子开关组成。还包括一个络和电子开关组成。还包括一个8位的输入寄存器和一个位的输入寄存器和一个8位位的的DAC寄存器。当寄存器。当DAC寄存器中的数字信号在进行寄存器中的数字信号在进行D/A转换转换时，下一组数字信号可存入输入寄存器，这样可提高转换速时，下一组数字信号可存入输入寄存器，这样可提高转换速度。芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后转度。芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后转变成电压信号输出。变成电压信号输出。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附

15、1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续12）DAC0832原理框图原理框图上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续13）DAC0832引线排列图引线排列图上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.1 数数/模模(D/A)转换器转换器（续（续14）各引脚功能简要说明如下：各引脚功能简要说明如下：D0D7：8位数字数据输入，位数字数据输入，D7为最高位，为最高位，D0为最低位。为最低位。Iout1:模拟电流输出端。模拟电流输出端。Iout2:模拟电流输出端，接地。模拟电流输出端，接地。Rf:若外接的集成

16、运放电路增益小，则在该引出端与集成运放若外接的集成运放电路增益小，则在该引出端与集成运放输出端之间加接电阻；若外接的集成运放电路增益足够大，输出端之间加接电阻；若外接的集成运放电路增益足够大，则不必外接电阻，直接将该引出端与运放输出端相连。则不必外接电阻，直接将该引出端与运放输出端相连。Uref:基准参考电压端，在基准参考电压端，在+10V-10V之间选择。之间选择。UCC:电源电压端，在电源电压端，在+5V+15V之间选择，之间选择，+15V最佳。最佳。DGND：数字电路接地端。：数字电路接地端。AGND：模拟电路接地端，通常与：模拟电路接地端，通常与DGND相接。相接。上一页上一页下一页下

17、一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。CS：DAC寄存器的传送控制信号，低电平有效。寄存器的传送控制信号，低电平有效。XFER：DAC寄存器的写入控制信号，低电平有效。寄存器的写入控制信号，低电平有效。2WRILE(Input Latch Enable)：数据允许锁存信号，高电平有效。：数据允许锁存信号，高电平有效。：输入寄存器的写入控制信号，低电平有效。：输入寄存器的写入控制信号，低电平有效。1WR上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续1

18、）A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成数字信号转换器的功能是将输入的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入的模拟信号在时间上是连续变化的，而输出输出。由于输入的模拟信号在时间上是连续变化的，而输出的数字信号是不连续的，所以转换只能在某些瞬间对输入进的数字信号是不连续的，所以转换只能在某些瞬间对输入进行取样，然后将这些取样值转换成数字量输出。行取样，然后将这些取样值转换成数字量输出。因此，因此，A/D转换须先对输入的模拟信号进行采样，然后转换须先对输入的模拟信号进行采样，然后进入保持，在保持时间内将采样的信号转换为数字量，并按进入保持，在保持时间内将采样的信号转换为数字量，并按一定编码形式输

19、出。一定编码形式输出。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续2）u逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的原理转换器的原理 寄存器从最高位置开始每次在该位设寄存器从最高位置开始每次在该位设“1”，该数字量经，该数字量经D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压uo，送入比较器与输入模拟电压，送入比较器与输入模拟电压ui进行比较。若进行比较。若uoui，说明数字量过大，此位应的改回，说明数字量过大，此位应的改回0；若；若uoui，说明数字量还不够大，此位，说明数字量还不够大，此位

20、1应保留。应保留。逐位进行尝试直到最低位，寄存器里的数字就是对应于输入逐位进行尝试直到最低位，寄存器里的数字就是对应于输入电压电压ui的输出数字量。的输出数字量。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续3）4位二进制数的逐次逼近型位二进制数的逐次逼近型A/D转换器转换器 6位顺序位顺序脉冲发生器脉冲发生器逻辑控制门逻辑控制门移位寄存器移位寄存器电压比较器电压比较器4位位D/A转换器转换器读出门读出门上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续4）顺序脉冲发生器工作波形

21、顺序脉冲发生器工作波形 123456最高位设最高位设1次高位设次高位设1第三位设第三位设1最低位设最低位设1控制读出数字量控制读出数字量锁定读出门锁定读出门上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续5）4位逐次逼近型位逐次逼近型ADC的转换过程（基准电压的转换过程（基准电压8V） 10004d3=001002d2=101103d1=101113.5d0=10111开启其读出门，读出结果开启其读出门，读出结果d3d2d1d0uo(V)确定位码确定位码ui(V)3.63.63.63.6顺序顺序1234561000锁定读出，开始下一次转

22、换锁定读出，开始下一次转换上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续6）u双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器是一种间接转换式转换器是一种间接转换式A/D转换器，它首先转换器，它首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回

23、回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续7）tCPtt积分器输入电压积分器输入电压uoui URT1定时积分定时积分T2不定时积分不定时积分T2双积分型双积分型A/D转换器工作原理转换器工作原理上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续8）定时积分阶段：积分器对输入电压在固定时间间隔内积分定时积分阶段：积分器对输入电压在固定时间间隔内积分1CTN T11o101dTiCiiuN TTutuuCRRCRC 不定时积分阶段：积分器对参考电压不定时积分阶段：积分器对参考电压 UR积分，积分，uo=0结束。结束。2

24、o201d0TCCCRiRiN TD TN TUutuUuCRRCRCRC输出数字量：输出数字量：2CRiTNDuTU其中，其中，TC为时钟脉冲为时钟脉冲(CP)的周期。的周期。与积分电路参数无关！与积分电路参数无关！上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续9）由于采用了积分器，可有效抑制各种平均值为零的噪由于采用了积分器，可有效抑制各种平均值为零的噪声。双积分型声。双积分型A/D转换器的优点是抗干扰能力强，工作性转换器的优点是抗干扰能力强，工作性能稳定。能稳定。双积分型双积分型A/D转换器转换过程中两次积分的转换器转换过程中两

25、次积分的R、C参数参数相同，所以转换结果与相同，所以转换结果与R、C的值无关。可以用精度较低的的值无关。可以用精度较低的元器件做成精度很高的双积分型元器件做成精度很高的双积分型A/D转换器。转换器。双积分型双积分型A/D转换器的主要缺点是工作速度低，一般转换器的主要缺点是工作速度低，一般都在每秒几十次以内。主要应用于对转换速度要求不高的都在每秒几十次以内。主要应用于对转换速度要求不高的场合。场合。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续10）u A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率 以输出二进制数或十进制数

26、的位数表示，它说明以输出二进制数或十进制数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。位数越多，误差越小，转换器对输入信号的分辨能力。位数越多，误差越小，转换精度越高。转换精度越高。量化误差量化误差 又称为最低有效位误差或分层误差，由于转换器的有又称为最低有效位误差或分层误差，由于转换器的有限分辨率（量化单位有限）而造成。限分辨率（量化单位有限）而造成。最大线性误差（精度）最大线性误差（精度）A/D转换器实际传输特性曲线与理想传输特性曲线之转换器实际传输特性曲线与理想传输特性曲线之间的最大偏差。间的最大偏差。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数

27、(A/D)转换器转换器（续（续11）u A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标(续续)转换速度转换速度 完成一次转换所需的时间。完成一次转换所需的时间。电源电压抑制比电源电压抑制比 保持输入模拟电压不变，当转换电路电源电压发生变保持输入模拟电压不变，当转换电路电源电压发生变化时，对输出产生的影响，一般用输出数字量的绝对化时，对输出产生的影响，一般用输出数字量的绝对变化量来表示。变化量来表示。 上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续12）u集成集成A/D转换器转换器 ADC0809ADC0809内部基本电路是逐次比较型内

28、部基本电路是逐次比较型A/D转换电路，其原转换电路，其原理框图及芯片引脚排列图如图所示。理框图及芯片引脚排列图如图所示。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续13）IN0IN7：8路模拟信号输入端。路模拟信号输入端。A2、A1、A0：8路模拟信号的地址码输入端。路模拟信号的地址码输入端。D0D7：转换后输出的数字信号。：转换后输出的数字信号。START：启动端。下降沿触发，：启动端。下降沿触发，A/D转换开始进行。转换开始进行。ALE：通道地址锁存信号输入端。：通道地址锁存信号输入端。 OE：输出允许端。：输出允许端。 EOC

29、：转换结束信号，由内部控制逻辑电路产生。：转换结束信号，由内部控制逻辑电路产生。 UR(+)和和UR( )：参考电压输入端。该电压确定输入模拟量：参考电压输入端。该电压确定输入模拟量的电压范围。若将的电压范围。若将UR(+)接接UDD，UR( )接接GND，当电源电，当电源电压压UDD为为+5V时，输入模拟量的电压范围为时，输入模拟量的电压范围为0+5V。UDD：电源端，：电源端，+5V。GND：接地端。：接地端。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续14）u集成集成A/D转换器转换器 MC14433MC14433内部基本电路

30、为双积分型内部基本电路为双积分型A/D转换电路，原理如图转换电路，原理如图上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续15）虚线框内为集成电路内部电路，框外为外接元件。模虚线框内为集成电路内部电路，框外为外接元件。模拟电路为积分器。拟电路为积分器。R1，C1为积分电阻和电容，它们的取值与为积分电阻和电容，它们的取值与电路选定的时钟频率和电压量程有关。例如，当时钟频率电路选定的时钟频率和电压量程有关。例如，当时钟频率为为66kHz，C1选选0.1F时，若量程为时，若量程为2V，R1取取470；若量程；若量程为为200mV，R1取取27

31、k。电容电容C0存放积分器的失调电压，存放积分器的失调电压，电路可根据电路可根据C0记录的失调电压自动调零。记录的失调电压自动调零。C0的推荐取值为的推荐取值为0.1F 4位十进制计数器的计数范围为位十进制计数器的计数范围为01999。锁存器用来。锁存器用来存放转换结果。存放转换结果。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续16）Uag是积分器的接地端。是积分器的接地端。Uref是双积分器参考电压输入端。是双积分器参考电压输入端。参考电压取值有两个，分别为参考电压取值有两个，分别为200mV和和2V,对应的模拟电压量对应的模拟电

32、压量程为程为199.9mV和和1.999V，Ui是待转换的模拟信号输入端。是待转换的模拟信号输入端。时钟信号发生器产生系统时钟脉冲。在时钟信号发生器产生系统时钟脉冲。在CP0和和CP1输入端输入端之间接不同阻值的电阻，可产生不同的内部时钟频率。当外之间接不同阻值的电阻，可产生不同的内部时钟频率。当外接电阻接电阻RC依次取依次取750k，470k，360k等典型值时，相应时等典型值时，相应时钟频率依次为钟频率依次为50kHz，66kHz和和100kHz。如果要从外部输入。如果要从外部输入时钟脉冲就不接时钟脉冲就不接RC，时钟脉冲直接从，时钟脉冲直接从CP1端输入。端输入。上一页上一页下一页下一页目目 录录返返 回回退退 出出附附1.2 模模/数数(A/D)转换器转换器（续（续17）DU：锁存器触